ДИАФРАГМИРОВАННЫЙ ВОЛНОВОД С ФОКУСИРУЮЩИМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц и может быть использовано в ускорительной технике, энергетике, промышленности, медицине.

Аналогом изобретения являются ускоряющая высокочастотная структура (ВЧ-структура), выполненная по типу диафрагмированного волновода (А.Н. Лебедев, А.В. Шальнов. Основы физики и техники ускорителей, том 3, с. 34-39, М., Энергоатомиздат 1983 г.), в которой электроны ускоряются в широко применяемой бегущей E-волне аксиально-симметричного электромагнитного поля, имеющей продольную составляющую электрического поля E. Недостатком является слабая фокусировка пучка электронов, что уменьшает величину тока пучка на выходе ускорителя.

Наиболее близким аналагом технического решения, принятым за прототип, является ускоряющая ВЧ-структура (Б.В. Зверев, Н.П. Собенин. Ускоряющая структура круглого диафрагмированного волновода с магнитной связью. Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. С. 14-16, М., Энергоатомиздат, 1993 г.), состоящая из ускоряющего волновода, выполненного в виде цилиндрического бака из немагнитного материала, в котором возбуждается высокочастотная, аксиально-симметричная, электромагнитная E-волна бегущего типа и ускоряющих зазоров между диафрагмами, выполненными из немагнитного материала, которые имеют апертуры на центральной продольной оси ускоряющего волновода и кольцевые прорези на периферии, для создания там продольного магнитного поля в ускоряющем волноводе.

Наличие магнитного поля подобной конфигурации в ускоряющих зазорах способствует, синхронности возбуждения в них колебаний ВЧ-электромагнитного поля и уменьшению углового расхождения пучка, но не обеспечивает его фокусировку.

Недостатком данного аналога является слабая фокусировка пучка в ускоряющих зазорах, что приводит к потере заряженных частиц при ускорении пучков с высокой интенсивностью зарядов и уменьшает величину тока пучка на выходе ускорителя.

Целью изобретения является увеличение тока пучка ускоренных ионов на выходе ускорителя.

Поставленная цель достигается тем, что в диафрагмированном волноводе с фокусирующим магнитным полем, состоящем из ускоряющего волновода, выполненного в виде цилиндрического бака из немагнитного материала, в котором возбуждается высокочастотная, аксиально-симметричная электромагнитная E-волна бегущего типа и ускоряющих зазоров между диафрагмами, которые имеют апертуры на центральной продольной оси ускоряющего волновода и диафрагмы выполнены из проводящего магнитный поток материала, и между ними установлены магниты таким образом, что между диафрагмами создается продольное, аксиально-симметричное магнитное поле, провисающее в ускоряющих зазорах в области ускоряющих апертур в сторону центральной продольной оси ускоряющего волновода.

Сущность предлагаемого изобретения в том, что наличие в ускоряющих зазорах диафрагмированного волновода, провисающего в сторону центральной продольной оси аксиально-симметричного магнитного поля, способствует не только удержанию ионов на траектории их ускорения, но и осуществляет фокусировку пучка.

В результате предложенных конструктивных изменений в предлагаемом изобретении появляется новое физическое свойство, а именно в ускоряющих зазорах, наряду с фокусировкой пучка поперечной компонентой провисающего в сторону центральной продольной оси ускоряющего электрического поля и его удержанием от углового расхождения горизонтальной составляющей магнитного поля, появляется дополнительная фокусировка провисающим в сторону центральной продольной оси ускоряющего волновода магнитным полем, что уменьшает потерю ионов при ускорении и способствует увеличению тока пучка ионов на выходе ускорителя.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, выразившихся в конструктивных изменениях, вызвавших возникновение нового физического свойства, а именно возникновения магнитного поля заданной конфигурации, способствующего фокусировке пучка ионов в ускоряющих зазорах, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.

На фиг. 1 показан диафрагмированный волновод с фокусирующим магнитным полем состоящий из ускоряющего волновода 1, выполненного в виде цилиндрического бака из немагнитного материала, в котором возбуждается высокочастотная, аксиально-симметричная, электромагнитная E-волна бегущего типа 2 и установлены диафрагмы 3, выполненные из проводящего магнитный поток материала, имеющие в центре апертуры для транспортировки ионного пучка и краями выходящие за внешние пределы резонатора, между диафрагмами, на внешней стороне ускоряющего волновода установлены магниты 4 таким образом, что в ускоряющих зазорах между диафрагмами создается постоянное, аксиально-симметричное магнитное поле, силовые линии 5 которого в области апертур провисают в сторону центральной продольной оси ускоряющего волновода. Наличие такой кривизны силовых линий 5 обеспечивает возникновение радиального градиента магнитного поля, уменьшающегося к центральной продольной оси и обеспечивающего эффект фокусировки пучка ионов. Для сущности изобретения не обязательно выполнение условия выхода краев диафрагм 3 за пределы ускоряющего волновода 1. Магниты 4 могут быть установлены аналогичным образом и внутри ускоряющего волновода 1.

Преимущество ускорения заряженных частиц в ускоряющих структурах типа диафрагмированный волновод с аксиально-симметричной электромагнитной E-волной бегущего типа (бегущая E-волна) широко известны (Б.В. Зверев, Н.П. Собенин. Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. М., Энергоиздат, с. 13-19, 1993 г.). Одно из них связано с отсутствием проблем ввода ВЧ-мощности в ускоряющий волновод в моменты возникновения переходных процессов в ускоряемых сильноточных пучках заряженных частиц, в т.ч. и на фронтах импульса тока пучка, что особенно критично при ускорении ионов до высокой энергии. Развивающиеся в это время неустойчивости электромагнитного поля в питающих ВЧ-мощностью фидерах ускоряющего волновода приводят к уменьшению вводимой в него ВЧ-мощности и могут даже блокировать ее подачу в ускоряющий волновод.

Ускоряющие структуры типа «диафрагмированный волновод» преимущественно используются для ускорения электронов. Одной из причин, препятствующей их применению, для эффективного ускорения ионов является недостаточная сила фокусировки радиальной составляющей провисающего в области апертур ускоряющего электрического поля. Наличие в ускоряющем волноводе продольного магнитного поля способствует уменьшению расходимости пучка в процессе ускорения, не обеспечивая его фокусировку. Несмотря на очевидные преимущества ввода ВЧ-мощности в диафрагмированный волновод, работающий в режиме бегущей E-волны, слабость фокусировки ограничивает возможности ускорения ионов в ускорителях подобного типа.

В предлагаемом изобретении фиг. 1, пучок ионов ускоряется в ускоряющем волноводе 1, как и в аналогах, в продольном электрическом поле бегущей E-волны 2 между диафрагмами 3, выполненными из проводящего магнитный поток материала. Магниты 4, установленные между этими диафрагмами предложенным способом, формируют в ускоряющих зазорах постоянное, аксиально-симметричное магнитное поле, силовые линии 5 которого провисают в области центральных апертур в сторону центральной продольной оси ускоряющего волновода. Наличие только продольной составляющей магнитного поля в ускоряющих зазорах между диафрагмами способствует удерживанию заряженных частиц вблизи расчетных траекторий движения, а наличие в предлагаемом изобретении в ускоряющих зазорах, в области апертур градиента радиальной составляющей магнитного поля 5, возникающего из-за искривления профиля его силовых линий, обеспечивает эффект фокусировки ионного пучка при его ускорении. По сравнению с электронами, ионы, в силу различия масс, будут обладать большей разницей продольных скоростей на входе и выходе ускоряющего зазора. В результате чего, они будут быстрее проходить область дефокусирующего действия магнитного поля на выходе ускоряющего зазора и дольше находиться в области фокусирующего действия магнитным полем вначале этого зазора. Т.о., в каждом ускоряющем зазоре возникает эффект фокусировки магнитным полем, из-за наличия его поперечного градиента. Совместная фокусировка электрическим и магнитным полем повышает эффективность фокусировки ионов при ускорении интенсивных ионных пучков в диафрагмированном волноводе предложенной конструкции.

Предложенный диафрагмированный волновод с фокусирующим магнитным полем позволяет ускорять не только интенсивные пучки ионов, но и сильноточные пучки электронов с большой плотностью зарядов, он отличается надежностью в работе, простотой изготовления и малой стоимостью.